Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

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Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

• COMPOSITI
• PARTE 1
• Prof. Claudio Scarponi
• Ing. Carlo Andreotti

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GENERALITA

• Sotto il nome di compositi vengono indicati una
  classe innumerevole di materiali costituiti da
  più fasi intime e connesse, ma distinguibili su
  scala macroscopica.
• Nonostante la conservazione delle proprie
  caratteristiche, lunione di più componenti porta
  ad un nuovo materiale che può esaltare alcune
  proprietà dei singoli costituenti, mitigandone
  parallelamente effetti meno desiderabili.

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CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI

• I compositi possono essere classificati nel
  seguente modo
•  
• Compositi fibrosi
• Fase continua tridimensionale (matrice) che
  ingloba rigidamente una fase discontinua
  unidimensionale (fibra).
• Fasi costituite da materiali metallici, plastici
  e ceramici.
• A fibra discontinua (whisker)
• A fibra continua (fiber)
•  
• Compositi laminati
• Stratificazione di lamine di almeno due distinti
  materiali.
• Esempi tipici termostati, termocoppie, metalli
  rivestiti, vetri di sicurezza.

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CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI

• Compositi particellari
• Costituiti da particelle di un materiale sospeso
  in una matrice di un secondo materiale.
• Materiali metallici e non metallici.
• Esempi tipici calcestruzzo, propellenti solidi,
  cermets per palette di turbine.

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CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI

• Le tipologie di compositi sono riassunte nella
  seguente figura

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CARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITI

• Lo studio del comportamento di un composito si
  conduce su due diversi livelli
• Livello microscopico (micromeccanica)
• Si considera il materiale come non omogeneo.
• Le fasi sono considerate singolarmente omogenee.
• Si valutano le caratteristiche che derivano dalle
  mutue interazioni.
• Si definisce lElemento Rappresentativo di Volume
  (E.R.V.) che può essere schematizzato nel modo
  seguente (cilindri coassiali)
• Le proprietà meccaniche di questo elemento
  dipendono dalle percentuali volumetriche relative
  tra fibra e matrice, nonché dalla loro natura.

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CARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITI

• Livello macroscopico (macromeccanica)
• Il composito è studiato attraverso una visione
  globale.
• La struttura è considerata macroscopicamente
  omogenea.

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GENERALITA SULLE MATRICI

• La matrice assolve ad alcune tipiche funzioni
• Funzione di collegamento delle fibre (le fibre
  sono mantenute stabili nella loro geometria e
  posizione).
• Funzione di separazione delle fibre (le fibre
  lavorano come elementi separati).
• Protezione delle fibre dallambiente circostante.
• Bloccaggio di eventuali cricche insorte nelle
  fibre (si realizza implicitamente il concetto di
  fail-safe).

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GENERALITA SULLE MATRICI

• Le matrici possono essere divise in tre gruppi
• 1. Matrici plastiche
• E il gruppo più variegato e attualmente più
  impiegato.
• Sono impiegate fino a 150C.
• Si dividono in due tipologie fondamentali
  Termoindurenti e Termoplastiche.

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GENERALITA SULLE MATRICI

• Matrici Teromindurenti
• Sono liquidi densi a temperatura ambiente.
• Assumono lo stato solido quando sono portate ad
  una certa temperatura, detta temperatura di
  polimerizzazione.
• La somministrazione di un certo quantitativo di
  energia e lazione di un catalizzatore consentono
  la reazione tra i vari gruppi insaturi, dando
  origine a catene polimeriche nelle tre direzioni.
• Resine termoindurenti più impiegate epossidiche,
  poliestere, vinilestere, fenoliche, siliconiche,
  poliimmidiche.

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GENERALITA SULLE MATRICI

• Matrici Termoplastiche
• Sono allo stato solido a temperatura ambiente.
• Assumono uno stato gommoso (elevata
  deformabilità) se riscaldate ad una certa
  temperatura Tg, detta temperatura di transizione
  vetrosa.
• La struttura micromolecolare è costituita da
  legami di Van der Waals (laumento della
  temperatura ne provoca la rottura)
• Sono impiegate per temperature di esercizio molto
  inferiori a quelle delle termoindurenti.

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GENERALITA SULLE MATRICI

• 2. Matrici metalliche
• Possono essere impiegati tutti i metalli
  (Alluminio, Nickel, Titanio, Magnesio, ecc.) e le
  loro leghe.
• Compatibilmente con il tipo di fibra, la
  temperatura massima di impiego è di circa 700C.
• 3. Matrici ceramiche
• Sono impiegate per temperature dellordine dei
  1000C.

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GENERALITA SULLE MATRICI

• La seguente figura mostra la classificazione
  della matrici

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GENERALITA SULLE FIBRE

• Un materiale si intende strutturalmente valido se
  è caratterizzato da
• Elevata resistenza meccanica.
• Rigidezza.
• Resistenza al calore.
• Resistenza allattacco chimico.
• Bassa densità (soprattutto in campo
  aerospaziale).

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GENERALITA SULLE FIBRE

• Queste prerogative si possono considerare
  soddisfatte da elementi quali
• Litio.
• Berillio.
• Boro.
• Carbonio.
• Alluminio.
• Silicio.
• La diversità di comportamento tra un materiale
  massivo e lo stesso materiale considerato come un
  insieme di fibre è dovuto al fatto che la fibra è
  praticamente indenne da difetti infatti, se una
  fibra di un insieme si spezza, la cricca non
  necessariamente si propaga ulteriormente e le
  fibre circostanti rimangono intatte.

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GENERALITA SULLE FIBRE

• Una prima classificazione delle fibre può essere
  la seguente
• Amorfe.
• Organiche aramidiche.
• Policristalline carbonio, grafite.
• Multifasi boro, alluminio, titanio.

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GENERALITA SULLE FIBRE

• Una seconda classificazione può essere fatta
  sulla base della temperatura alla quale
  interviene una degradazione delle
  caratteristiche
• Temperatura bassa (lt150C) aramidiche.
• Temperatura intermedia (150400C) vetro, boro.
• Temperatura media (400700C) metalliche.
• Temperatura alta (gt700C) grafite, ceramiche.
• Nelle applicazioni aerospaziali si tende verso
  materiali caratterizzati da rapporti E/? e s/?
  sempre più elevati.
• Alcune caratteristiche meccaniche sono
  determinate essenzialmente dalle fibre
  resistenza a torsione, compressione, flessione,
  urto, ecc.

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GENERALITA SULLE FIBRE

• La tabella seguente mostra le caratteristiche di
  alcuni tipi di fibra e matrici

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PROPRIETA MECCANICHE

• I materiali compositi hanno proprietà direzionali
  (anisotropia).
• La resistenza è legata alla disposizione delle
  fibre nel pezzo che si considera. La seguente
  figura mostra landamento della resistenza allo
  sforzo in funzione dellorientazione delle fibre
  per un composito a fibre unidirezionali.

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PROPRIETA MECCANICHE

• La resistenza del pezzo in una determinata
  direzione può essere notevolmente influenzata
  anche da piccole variazioni dellorientazione
  degli strati. Pertanto è necessaria la massima
  attenzione nel rispettare la direzione e
  langolazione degli strati.

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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBRE

• Le fibre possono essere disposte come mostrato in
  figura

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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBREROVING

• Il roving è un prodotto ottenuto
  dallavvolgimento parallelo su bobina di vari
  strands (insiemi di filamenti).

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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBREROVING

• Schema
• Il materiale di partenza in forma fine viene
  introdotto in un forno ad induzione (1600C).
• A causa dellelevata temperatura il materiale
  rammollisce e comincia ad effluire per gravità
  attraverso una filiera di platino, sulla quale
  sono disposti centinaia di fori.
• Una testa rotante ad elevata velocità provvede
  alla trafilatura delle fibre.
• Prima dellavvolgimento, le fibre sono ricoperte
  da una guaina protettiva (sizing), il cui compito
  è di impedire il danneggiamento delle singole
  fibre nel reciproco contatto, di favorire
  lunione in uno strand, di proteggere
  dallumidità e di favorire una corretta adesione
  nel momento dellunione tra fibra e matrice.
• Le caratteristiche di questo materiale variano a
  seconda della composizione del bagno, della
  temperatura, ecc.

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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBRE NASTRO TFT

• La sigla TFT sta per Transverse Filament Tape.
• E un nastro di lunghezza diversa (2.40 m e
  sottomultipli), le cui fibre di rinforzo sono
  disposte trasversalmente (nel senso della
  larghezza del nastro).
• Le fibre sono tenute in posizione equidistante
  mediante un filo che le fissa ad una garza
  poliestere o ad un MAT di sostegno (il MAT è un
  materiale che si ottiene tagliando il roving in
  fibre corte).
• Esempio di MAT

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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBRE NASTRO TFT

• Esempio di nastro TFT con relative
  caratteristiche

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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBRE TESSUTO

• Il tessuto è prodotto organizzando secondo una
  trama e un ordito più rovings o yarns (uno
  yarn è un filo ottenuto avvolgendo ad elica più
  strands).

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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBRE TESSUTO

• Se si parte da roving si ottengono woven
  rovings, stuoie (molto impiegate nellindustria
  nautica), ecc.
• I tessuti e gli unidirezionali sono ottenuti
  mediante tessitura di yarns.
• Questi materiali sono disponibili in rotoli la
  cui geometria è riportata nelle seguenti figure

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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBRE TESSUTO

• Nei tessuti le fibre in ordito tengono insieme le
  fibre di trama, disposte nel senso di
  avvolgimento del rotolo (direzione
  longitudinale).
• Se il numero di fibre in ordito è uguale a quelle
  in trama, si ottiene un tessuto bilanciato, con
  caratteristiche uguali a 0 e 90.
• Se le fibre in ordito sono in numero inferiore a
  quelle in trama, si ottiene un tessuto
  sbilanciato con caratteristiche a 0 superiori.
• I tessuti sono differenziati, oltre che dalla
  percentuale di trama-ordito, anche dallo stile.
  Esso dipende dallo spessore e dal percorso che
  seguono i fili di ordito rispetto a quelli di
  trama. Se il passaggio avviene attraverso ogni
  filo, si ottiene un tessuto plain wave se
  avviene ogni 2, 3 o n fili si parla di satin 2,
  3, n.

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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBRE TESSUTO
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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBRE TESSUTO
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MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE
FIBRE TESSUTO

• Al tipo di periodicità del percorso è legato il
  drappeggio, cioè la capacità del tessuto di
  seguire le forme dello stampo.
• I materiali ottenuti con il procedimento
  descritto sono utilizzabili secchi o si inviano
  alla torre di impregnazione per ottenere i
  preimpregnati.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)

• In molte applicazioni la spalmatura della resina
  sulle fibre avviene direttamente in fase di
  produzione. Sullo stampo si depositano le fibre
  asciutte sotto forma di filo, nastro o tessuto e
  poi, per mezzo di pennelli, rulli o altro, si
  procede allimbibitura della resina (liquido con
  una certa viscosità).
• Un preimpregnato, invece, è un materiale (fibra
  nastro o tessuto) già imbevuto di resina portata
  al cosiddetto stadio B di polimerizzazione
  (cioè, con fase abbastanza vicina allo stato
  solido).

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)

• Caratteristiche della preimpregnazione
• Macchine molto complesse e costose (con le quali
  è possibile ottenere una tolleranza del
  quantitativo di resina del 2).
• Spalmatura della resina sul materiale base, che
  scorre attorno a numerosi rulli.
• Barre raschiatrici, che hanno il compito di
  rendere costante lo spessore della resina
  depositata.
• Si ottiene unottima costanza degli spessori.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)

• Impregnazione con ausilio di solventi le fibre
  passano in un bagno di resina in soluzione con un
  solvente e successivamente tra rulli che ne
  regolano la quantità applicata il solvente viene
  rimosso in un essiccatore.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)

• Impregnazione a caldo la resina in forma di film
  viene applicata sulle fibre (in genere tapes)
  tramite rulli riscaldati.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)

• Trattamento del preimpregnato
• Deve essere tenuto in frigorifero a -18C (in
  questo modo è garantita una vita di 6 mesi).
• Dopo 6 mesi il materiale è considerato scaduto e
  può essere utilizzato ancora per un certo tempo
  solo se una serie di prove dimostra che non si è
  verificato un decadimento delle sue
  caratteristiche. Altrimenti va declassato (magari
  usato per interni).
• Per polimerizzare necessita di somministrazione
  di calore e di pressione (è impiegato
  regolarmente nei processi di laminazione ed
  autoclave).

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)

• Caratterizzazione dei preimpregnati
• Dimensioni.
• Tipo di resina e di fibra.
• Disposizione delle fibre.
• Gel time rappresenta il tempo necessario
  affinché il materiale gelifichi ad una fissata
  temperatura.
• Tack level (appiccicosità) è la capacità di
  adesione del preimpregnato dipende
  dallinvecchiamento della resina e dal rapporto
  resina/fibre.
• Drape (formabilità) è la capacità di adattarsi
  a forme complesse dipende dallinvecchiamento
  della resina, dal rapporto resina/fibre, dal tipo
  di tessuto.
• Viscosità della resina è una misura della
  capacità della resina di fluire per effetto della
  pressione applicata nel ciclo di cura e della
  temperatura è misurata a temperatura costante.
• Contenuto di resina è dato dal contenuto atteso
  e dalleccesso di resina eliminato durante la
  cura per favorire lespulsione di aria e volatili
  (tracce di solvente, monomeri o altri additivi di
  basso peso molecolare).

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)

• La presenza di vuoti riduce le proprietà
  meccaniche del preimpregnato.
• Luso del preimpregnato consente
• Buona riproducibilità in produzione.
• Costanza della quantità di resina del laminato.
• Costanza del rapporto resina/indurente.
• Costanza dello spessore del laminato.
• Facilità di stratificazione di laminati con forme
  complesse e diverse orientazioni delle fibre.
• Pulizia e igiene dellambiente di lavoro.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)ESEMPIO DI
CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP
(Carboresine)

• La classificazione è suddivisa in 4 gruppi
• Tipo.
• Classe.
• Grado.
• Stile.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)ESEMPIO DI
CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP
(Carboresine)

• Suddivisione in tipi

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)ESEMPIO DI
CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP
(Carboresine)

• Suddivisione in classi

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)ESEMPIO DI
CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP
(Carboresine)

• Suddivisione in gradi

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)ESEMPIO DI
CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP
(Carboresine)

• Suddivisione in stili

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ORIENTAZIONE NELLE STRUTTURE IN MATERIALI
COMPOSITI

• Le seguenti figure mostrano le orientazioni e le
  disposizioni degli strati di preimpregnato nelle
  strutture in materiali compositi.

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ORIENTAZIONE NELLE STRUTTURE IN MATERIALI
COMPOSITI

• Sullattrezzo che si usa per la stratificazione
  va, in genere, indicata la convenzione
  dellorientazione degli strati che mostra le
  direzioni dellordito a 0, 90, 45, -45.